(57)【要約】【課題】膜分離を利用した新規な上水の処理技術を開発する。【解決手段】凝集対象物質を含有する被処理水に、少なくとも高分子凝集剤と浮上性固体粒子を添加して撹拌したのち、凝集フロックが付着した浮上性固体粒子を浮上分離し、該浮上分離で分離した分離水を膜分離し、膜ろ過水を処理水として取り出すとともに、膜分離濃縮液を前記浮上分離工程に返送する水処理方法。凝集対象物質を含有する被処理水を膜分離し、膜ろ過水を処理水として取り出すとともに、膜分離濃縮液に、少なくとも高分子凝集剤と浮上性固体粒子を添加して撹拌したのち、凝集フロックが付着した浮上性固体粒子を浮上分離し、該浮上分離で分離した分離水を膜分離工程に返送する水処理方法。その装置。【選択図】      図１
2005007354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝集対象物質を含有する被処理水に、少なくとも高分子凝集剤と浮上性固体粒子を添加して撹拌したのち、凝集フロックが付着した浮上性固体粒子を浮上分離し、該浮上分離で分離した分離水を膜分離し、膜ろ過水を処理水として取り出すとともに、膜分離濃縮液を前記浮上分離工程に返送することを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
凝集対象物質を含有する被処理水を膜分離し、膜ろ過水を処理水として取り出すとともに、膜分離濃縮液に、少なくとも高分子凝集剤と浮上性固体粒子を添加して撹拌したのち、凝集フロックが付着した浮上性固体粒子を浮上分離し、該浮上分離で分離した分離水を膜分離工程に返送することを特徴とする水処理方法。
【請求項３】
凝集対象物質を含有する被処理水中の凝集対象物質より形成された凝集フロックの浮上性固体粒子への付着を行うための凝集付着槽と、底部に浮上分離処理水の排出部、頂部にフロック付着浮上性固体粒子の排出部が付設された浮上分離装置と、浮上分離処理水を膜ろ過して処理水と前記浮上分離装置へ返送する膜分離濃縮液に分離する膜分離装置と、浮上分離装置から排出したフロック付着浮上性粒子からのフロックを剥離するためのフロック剥離撹拌槽と、該フロック剥離撹拌槽からのフロックが剥離された浮上性固体粒子を、前記凝集付着槽へ返送する洗浄済み浮上性固体粒子と洗浄排水に分離する分級器とを有することを特徴とする水処理装置。
【請求項４】
凝集対象物質を含有する被処理水を膜ろ過して膜ろ過水の処理水と膜分離濃縮液に分離する膜分離装置と、前記膜分離濃縮液中の凝集対象物質より形成された凝集フロックの浮上性固体粒子への付着を行うための凝集付着槽と、底部に浮上分離処理水の排出部、頂部にフロック付着浮上性固体粒子の排出部が付設された浮上分離装置と、浮上分離処理水を膜分離装置に移送する配管と、浮上分離装置から排出したフロック付着浮上性粒子からのフロックを剥離するためのフロック剥離撹拌槽と、該フロック剥離撹拌槽からのフロックが剥離された浮上性固体粒子を、前記凝集付着槽へ返送する洗浄済み浮上性固体粒子と洗浄排水に分離する分級器とを有することを特徴とする水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄水処理などの固液分離分野の新技術に関する。詳細には、本発明は、高速浮上方法と膜分離方法を組み合わせた水処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上水処理の課題は、合理的プロセスによって安全な飲料水を確実に生産して供給することである。その際には、上水処理に伴って発生する汚泥をできるだけ減少させることが望ましい。
この目的のために、原水をＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜によって膜分離して濁度ゼロの処理水を得る方法が検討されている。この方法は原水濁度が少ない場合は、ＰＡＣ、硫酸バンドなどの無機凝集剤が不要なため、汚泥発生量が大きく減少する利点がある。
従来、原水に加圧溶解空気含有水又は微細気泡を吹き込んで気泡に懸濁粒子を付着させて浮上分離する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
「水処理工学」技報堂、１９９０年、ｐ．８７−９９
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的には、このような膜分離工程からは、膜分離された原水中の濁質及び無機凝集剤の添加によって生成した水酸化アルミニウムフロックを含んだ排水（これを濃縮排水と呼ぶ）が排出される。しかし、この濃縮排水を処理する優秀な固液分離技術が従来なかった。
本発明は、このような実情よりなされたものであり、本発明の解決課題は、膜分離を利用した新規上水処理技術を開発することを目的にする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の手段により上記の課題を解決することができた。
（１）凝集対象物質を含有する被処理水に、少なくとも高分子凝集剤と浮上性固体粒子を添加して撹拌したのち、凝集フロックが付着した浮上性固体粒子を浮上分離し、該浮上分離で分離した分離水を膜分離し、膜ろ過水を処理水として取り出すとともに、膜分離濃縮液を前記浮上分離工程に返送することを特徴とする水処理方法。
（２）凝集対象物質を含有する被処理水を膜分離し、膜ろ過水を処理水として取り出すとともに、膜分離濃縮液に、少なくとも高分子凝集剤と浮上性固体粒子を添加して撹拌したのち、凝集フロックが付着した浮上性固体粒子を浮上分離し、該浮上分離で分離した分離水を膜分離工程に返送することを特徴とする水処理方法。
【０００６】
（３）凝集対象物質を含有する被処理水中の凝集対象物質より形成された凝集フロックの浮上性固体粒子への付着を行うための凝集付着槽と、底部に浮上分離処理水の排出部、頂部にフロック付着浮上性固体粒子の排出部が付設された浮上分離装置と、浮上分離処理水を膜ろ過して処理水と前記浮上分離装置へ返送する膜分離濃縮液に分離する膜分離装置と、浮上分離装置から排出したフロック付着浮上性粒子からのフロックを剥離するためのフロック剥離撹拌槽と、該フロック剥離撹拌槽からのフロックが剥離された浮上性固体粒子を、前記凝集付着槽へ返送する洗浄済み浮上性固体粒子と洗浄排水に分離する分級器とを有することを特徴とする水処理装置。
（４）凝集対象物質を含有する被処理水を膜ろ過して膜ろ過水の処理水と膜分離濃縮液に分離する膜分離装置と、前記膜分離濃縮液中の凝集対象物質より形成された凝集フロックの浮上性固体粒子への付着を行うための凝集付着槽と、底部に浮上分離処理水の排出部、頂部にフロック付着浮上性固体粒子の排出部が付設された浮上分離装置と、浮上分離処理水を膜分離装置に移送する配管と、浮上分離装置から排出したフロック付着浮上性粒子からのフロックを剥離するためのフロック剥離撹拌槽と、該フロック剥離撹拌槽からのフロックが剥離された浮上性固体粒子を、前記凝集付着槽へ返送する洗浄済み浮上性固体粒子と洗浄排水に分離する分級器とを有することを特徴とする水処理装置。
【０００７】
本発明の骨子は、水中での浮上力が極めて大きい浮上性固体粒子、具体的には浮上性固体微粒子を気泡の代わりに用いて、原水中の除去対象物質と浮上性固体粒子が一体化したフロックを形成させ、その除去対象物質と浮上性固体粒子が一体化したフロックを浮上分離槽で瞬間的に浮上分離し、浮上分離処理水中に残留する微細フロック状ＳＳ及び流出浮上性固体微粒子を膜で完全に分離し、従来の膜分離工程における水酸化アルミニウムフロックを含んだ濃縮排水の固液分離技術の問題点を解決した点にある。
また、本発明は、膜分離濃縮液を上記の高速浮上分離に循環するので、プロセスとしては、原水を膜分離し、それで処理水を得、膜分離濃縮液を高速浮上分離に供するという工程順とみることもできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
先ず、図１を参照して本発明を原理的に説明する。図１は、浮上性固体粒子を回収して循環使用する経路の説明を省略した場合のフローシートを示す。
膜分離装置１１に使用するＭＦ（マイクロフィルタ）膜、ＵＦ（限外ろ過）膜、ＮＦ（ナノフィルタ）膜などの膜孔径が原水１中の濁質などの粒径よりもはるかに小さいメンブレン膜によって原水１を膜に通過させ、濁度、微生物がゼロの清澄な処理水１２を得る。この処理水１２は、塩素滅菌された後、飲用可能な上水として給水される。
【０００９】
膜分離濃縮液１３（図１のケースでは、これを浮上分離装置への流入水に返送したものが、本発明に言う原水に相当する、これは浮上分離装置７に入る液の量のうち、原水１の量が少なく、膜分離濃縮液１３の量が多いためである）は、浮上性固体粒子３（粒径０．７ｍｍ程度の発泡スチロール微粒子が好適）を用いた高速浮上分離装置７に供給され、膜分離濃縮液１３中のＳＳなどが浮上分離されて除去される。ＳＳなどが除去された浮上分離処理水９は、前記膜分離装置１１に流入させ膜ろ過される。
浮上分離処理水９に浮上性固体粒子３の一部が流出することがあるが、流出浮上性固体粒子３は膜で完全に分離されるので、発泡スチロールなどの系外流出トラブルが起きない。膜で捕捉された浮上性固体粒子３は、膜分離濃縮液１３と共に再び浮上分離装置７に戻る。
【００１０】
浮上分離濃縮液２０は、沈殿シックナー、遠心濃縮、膜分離濃縮、ろ布によるろ過濃縮などの汚泥濃縮装置２１でＳＳ濃度が高められたのち、汚泥脱水機２２で脱水される。別の方法として、浮上分離濃縮液２０をそのまま下水道管路に流し、下水終末処理場において下水汚泥と一緒に処理しても良い。
【００１１】
なお、本発明の除去対象物質は、ＳＳ、コロイド成分、フミン酸、色素などの色度成分、リン酸イオン、ＣＯＤ成分などである。これらの物質は無機凝集剤を添加すると不溶化し、高分子凝集剤（ポリマ）の添加によって、浮上性固体粒子に付着する。
【００１２】
次に浮上性固体粒子を利用した高速浮上分離装置を詳しく説明する。
発泡スチロール微粒子などのように比重が非常に小さく、水中での浮上力が極めて大きい浮上性固体微粒子を気泡の代わりに用い、原水（図１では膜分離濃縮液）に浮上性固体微粒子を添加して撹拌分散させながら、原水に有機高分子凝集剤又は無機凝集剤と有機高分子凝集剤を添加して急速撹拌を続けると、５〜１０秒程度後に、原水中の懸濁粒子の凝集フロックが浮上性固体微粒子に付着し、除去対象物質と浮上性固体微粒子が一体化したフロックが速やかに形成され、その後浮上分離部に流入させると、瞬間的に浮上分離することが見出された。
【００１３】
図２は、本発明における高速浮上分離装置の一実施態様を示す系統図である。なお、図１で示したものと同一機能を有するものは、同一符号を用いて示す。
被処理水（浮上分離処理水９を膜分離装置１１で膜分離を行い、それによって生じた膜分離濃縮液１３）に凝集剤（高分子凝集剤６単独又は無機凝集剤２と高分子凝集剤６の併用）と、粒径５００〜８００μｍ程度の発泡スチロール粒子３を添加し、凝集付着槽４中で撹拌機５によって撹拌すると浮上性固体粒子３が被処理水中の除去対象物質と一体化した凝集フロックが形成される。これを浮上分離装置７に流入させると、浮上分離部８で瞬間的に浮上分離され、清澄な処理水（分離水）９が装置７の下部から流出する。
【００１４】
次に浮上分離物１０を、装置７の上部から排出し、フロック分離撹拌槽１５で激しく撹拌すると、浮上性固体粒子３相互がもみ洗い状態になり、凝集フロックが浮上性固体粒子３から剥離するので、これを分級器１６に供給し、剥離フロックを沈殿させて洗浄済み浮上性微粒子１８を回収し、再度膜分離濃縮液１３に添加し、フロックの浮上剤として再利用する。剥離したフロックは汚泥処理工程に供給し、処理処分する。分級器１６の上から、原水１の一部を洗浄水として流しこみ、剥離したフロックを洗浄排水１９とともに洗い流すことが好ましい。
【００１５】
しかして、浮上分離処理水９は、図２に示したように、その他の原水１とともに膜分離装置１１に流入し、浮上分離処理水９中に残留する微量の微細フロック状ＳＳおよび流出発泡スチロール（浮上性固体粒子）３が膜で完全に分離され、濁度ゼロの膜ろ過水が清澄な処理水１２として流出する。
本発明の「浮上性固体粒子３が原水１等中の懸濁粒子と一体化した凝集フロック」の浮上速度は極めて大きく、浮上速度は３０００〜５０００ｍｍ／ｍｉｎと従来の加圧溶解空気泡を利用する浮上分離装置の約３０倍以上も大きい。
【００１６】
本発明に適用するために最適な浮上性固体粒子を種々検討した結果、浮上性粒子の比重として極力小さいものを使用することが、大きな浮上分離速度を得るために重要で、比重が０．３以下のものが好適である。特に発泡スチロールなどの発泡プラスチック微粒子、中でも発泡スチロールは比重が０．１以下と極めて小さく、極めて浮上力が大きいこと、また低価格でもあり最適である。
原水に添加する発泡スチロール粒子の粒径は、過度に大きいと凝集フロックが浮上性粒子に付着しにくくなり、過度に小さいと浮上速度が小さくなるので、５００〜８００μｍ程度が好適であった。
浮上性固体粒子の比重は非常に重要で０．３以下、好ましくは０．１程度の非常に軽量な粒子が適している。
【００１７】
浮上性固体粒子の添加量として好適な範囲は、少なすぎると浮上速度向上効果が少なくなり、多すぎるとフロックに取り込まれなくなるので、浮上性固体粒子の嵩容積で２０〜１００、より好ましくは３０〜５０（ミリリットル浮上性固体粒子／リットル原水程度）が好適範囲である。
浮上性固体粒子の添加容積比が小さすぎると、浮上性固体粒子に付着しないフロックが残留し、添加容積比が過大であると浮上分離物の量が過大になりすぎ、浮上物移送などのハンドリング面で不利になる。
【００１８】
無機凝集剤の添加量は原水等の水質によって変化するが、上水処理の膜分離濃縮液を本発明によって処理する場合は、ＰＡＣでは１０〜２０ｍｇ／リットル、塩化第２鉄では５〜１０ｍｇ／リットル程度である。無機凝集剤１５の添加は不可欠ではなく、カチオン系ポリマで代替できることがある。
【００１９】
有機高分子凝集剤（ポリマ）は、アニオン性、ノニオン性、カチオン性、両性ポリマのいずれか、またはこれらを併用する。その注入率は、１ｍｇ／リットル程度で十分である。上水処理の場合は、有機高分子凝集剤はアクリルアミドモノマ含有量が極力少ない銘柄を使用する。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこの実施例により何等制限されるものではない。
【００２１】
実施例１  模擬河川水の浄化試験
水道水に平均粒径３μｍのカオリン粘土を添加し、濁度１００度の原水を調製した。この原水（処理流量１０リットル／分）に、粒径５００μｍ、比重０．１５の発泡スチロール微粒子を嵩容積で３０（ミリリットル／リットル原水）添加し、強く撹拌して撹拌槽全体に分散させながら、塩化第２鉄を５ｍｇ／リットル添加し、３０秒間急速撹拌を行った後、ポリマ（アニオン性ポリマ、分子量１５００万、銘柄エバグロースＡ１５１）を０．５ｍｇ／リットル添加し、０．５分間急速撹拌したのち、浮上分離速度５０００ｍｍ／ｍｉｎという超高速浮上分離速度に設定した浮上分離装置に流入させた。
この結果、浮上性粒子に付着したフロックは瞬間的に浮上分離され、処理水濁度は５度となった。しかし、浮上分離水１ｍ３あたり、嵩容積で１２ミリリットルの発泡スチロール微粒子が流出した。
【００２２】
次に浮上分離処理水をＭＦ膜（公称孔径０．１μｍの中空糸膜）で膜分離した。膜フラックスは２ｍ／日に設定した。流出発泡スチロール微粒子を含んだ膜分離濃縮液（濃縮倍率２５倍）は、浮上分離装置への流入水に返送した。
その結果、膜ろ過水濁度は常にゼロであった。また系外に発泡スチロール微粒子が流出することは皆無であった。
【００２３】
比較例１
従来公知の加圧溶解空気を利用する浮上分離装置で試験した。原水と凝集剤添加量は実施例１と同一である。
発泡スチロール微粒子を添加せずに、加圧溶解空気を含んだ水を原水の１０％添加し、浮上分離速度２００ｍｍ／ｍｉｍの浮上分離速度に設定した浮上分離装置に流入させた。この結果、微細気泡に付着したフロックは緩慢に浮上した。処理水濁度は１５度であった。
しかし、浮上速度４００ｍｍ／ｍｉｎに設定して運転したところ、フロックはほとんど浮上せず、処理水に流出し、処理水濁度が１１０度と著しく悪化し、処理不可能であった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、下記の優れた効果が得られる。
（１）従来の気泡による浮上分離法では全く不可能であった、超高速度の浮上分離速度で原水中の懸濁粒子などを浮上分離できる。
（２）夏季の湖沼系原水のように藻類が多い原水は、本来沈殿分離が困難であって、従来は多量の凝集剤を添加して、無理やり凝集沈殿せざるを得ないことが多かったが、本発明は浮上分離した後膜分離するので、合理的に処理できる。
（３）処理水に流出した浮上性粒子が膜分離部で完全に捕捉され、これを再利用するようにしたので、系外に浮上性粒子が流出するトラブルがない。したがって、浮上分離部から相当量の浮上性粒子が処理水に流出するほどの高速度の浮上分離速度を設定できる。
（４）浮上分離の後に濁質除去能力が完璧な膜分離部を設けたので、浮上分離水の濁度をさほど低くする必要がなく、処理水濁度５〜１０度程度で充分である。したがって浮上分離において、さほど良好なフロックを形成させる必要がなく、浮上分離装置の凝集剤添加量が節約できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜分離技術と浮上分離技術の組み合わせについて原理的に詳細に説明する系統図である。
【図２】本発明に係る高速浮上分離装置に膜分離装置を組み合わせた水処理装置の一実施態様を示す系統図である。
【符号の説明】
１  原水
２  無機凝集剤
３  膜分離装置
４  凝集付着槽
５  攪拌機
６  高分子凝集剤
７  浮上分離装置
８  浮上分離部
９  浮上分離処理水
１０  浮上分離物
１１  膜分離装置
１２  処理水
１３  膜分離濃縮液
１４  ポンプ
１５  フロック剥離撹拌槽
１６  分級器
１７  洗浄用水
１８  洗浄済み浮上性固体粒子
１９  洗浄排水
２０  浮上分離濃縮液
２１  汚泥濃縮装置
２２  汚泥脱水機
【図１】
2005007354.tif 000003
【図２】
2005007354.tif 000004